CN102022224A - 大规模固体微推力器阵列点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型固体推力器阵列的点火系统，特别适用于大规模微型固体推力器阵列。针对以往能控制的推力器阵列规模小、大型独立式点火电路布线难度大的问题，利用阵列式点火电路真正意义上实现微推力器阵列的规模化，并且通过设计配套的控制电路和驱动电路共同实现对推力器阵列满足姿轨控要求的推力器组合进行点火控制。采用这样的系统设计，因为需要的导线等相关硬件都减少，既可控又较为简洁，大大降低了电路的复杂程度，提高了点火的稳定性及可靠性。

Description

大规模固体微推力器阵列点火系统

技术领域

本发明涉及一种微型固体推力器阵列的点火系统，特别适用于大规模微型固体推力器阵列。

背景技术

随着微型卫星的发展及应用，对其高精度的姿态和轨道控制也提出了挑战，需要执行机构质量和体积小、集成度高、功耗低、可靠性高，能够提供小而精确的冲量，而微型固体推力器阵列，能够满足微型卫星姿轨控系统的要求。微型固体推力器阵列能集成高密度的微型推力器，每个推力器单元产生微小的冲量，可以实现任意的点火组合方式，进行变推力控制，这种推力器的突出优点就是可以应用于公斤级的皮卫星或纳卫星上，是一种新型的卫星控制动力装置。

随着各国对微型推力器阵列的研究逐渐深入，迫切需要解决阵列的应用问题，因此对于大规模阵列的研究成为现在的研究重点，而其中最重要的是点火相关技术的研究，例如点火控制系统、点火电路、驱动电路、点火算法等。现阶段各国主要集中在对微型推力器阵列结构、测试等方面的研究，现有的各国研究的点火电路都较为复杂，不适用于大规模推力器阵列，对于整个点火系统的研究更是少之又少，因此制约了微型推力器阵列的进一步应用。

图1为韩国2010年刚研制的点火控制系统，但是该系统能够进行控制的推力器阵列规模非常小，因为点火电路采用每个点火电阻单独控制，布线难度比较大，如果进一步扩大点火电阻的数量，集成百万级数量推力器，采用该点火电路基本不可能。对于卫星姿态和轨道控制，为了提高大范围的机动能力以及更加精确的控制，需要推力器阵列能够集成更多的推力器，因此对应的点火电路规模也要增大。如果推力阵列规模足够大，比如100×100个推力器或者更大，独立式点火电路的布线将较为复杂。

发明内容

本发明的目的是解决微推力器阵列的应用问题，利用阵列式点火电路真正意义上实现微推力器阵列的规模化，并且实现对推力器阵列满足姿轨控要求的推力器组合进行点火控制。

本发明的点火控制系统包括通信模块、控制模块、行控制端、列控制端、行驱动模块、列驱动模块、点火电路。

其中，行驱动模块包括两个或两个以上可控开关元件和两个或两个以上限流电阻。

列驱动模块包括两个或两个以上放大模块和两个或两个以上限流电阻，其中放大模块有两个作用，一个是功率放大，一个是控制电路通断即可控开关的作用。

点火电路包括两个或两个以上电阻、两个或两个以上二极管、两根或两根以上行线、两根或两根以上列线以及两个或两个以上集成电路板；具体布局是，每一个发热电阻一端与一个二极管正极相连，发热电阻的另一端连接在行线上，二极管的负极连接在列线上；行线和列线分别分布在不同的集成电路板中，互不影响。为区别之前的独立式点火电路，这里将此种点火电路称为阵列式点火电路。

整个点火控制系统各个模块之间的连接是：通信模块与控制模块相连；控制模块通过行控制端与行驱动相连，通过列控制端与列驱动相连：对于每一行，行控制端通过限流电阻连接行驱动；对于每一列，列控制端也通过限流电阻连接列驱动。行驱动连接点火电路的行线，列驱动连接点火电路的列线。

工作过程是：卫星姿轨控系统的控制器将所有的所需推力器坐标通过通信模块进行通信，传输到控制模块，控制模块对接收到的信号进行判断和控制：如果要点燃的推力器小于设定的数量，一次点燃所有所需的推力器，即将它们所在行列进行高电平输出，控制驱动电路导通，电阻加热发火药。其中高电平的维持时间需要大于点火延迟时间，以使电阻加热至发火药的发火时间，当到达高电平的维持时间，对相关行列进行低电平输出，此时电路断开，电阻停止加热；如果要点燃的推力器大于设定的数量，要进行分组点火，每组之间设定固定的点火时间间隔，对于每一组的控制与前相同。

有益效果：

整个系统真正意义上实现对大规模微型推力器阵列的点火控制：①设计了阵列式点火电路；②设计了能够对大规模阵列控制的控制电路；③设计了可控、可靠的驱动电路。采用这样的系统设计，因为需要的导线等相关硬件都减少，既可控又较为简洁，大大降低了电路的复杂程度，提高了点火的稳定性及可靠性。

附图说明

图1为韩国2010年研制的点火系统。

图2为本发明的点火系统框图。

图3为本发明的点火系统原理图。

图4为本发明的点火电路示例。

图5为本发明的行驱动电路示例。

图6为本发明的列驱动电路示例。

图7为本发明的控制电路示例。

图8为本发明的USB与FPGA的连接图示例。

图9为本发明的一路驱动电路和点火电路连接示意图。

图10为FPGA状态转移图示例。

图11为本发明的电阻简化模型。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。实验中采用10×10阵列，来说明设计思想以及原理：图2为本发明的点火系统框图；图3为本发明的点火系统原理图；图4为本发明的点火电路示例；图5为本发明的行驱动电路示例；图6为本发明的列驱动电路示例；图7为本发明的控制电路示例。

本发明的点火控制系统包括通信模块、控制模块、行控制端、列控制端、行驱动模块、列驱动模块、点火电路。

其中，行驱动模块包括十个晶闸管和十个限流电阻，其中晶闸管为可控开关元件。所有晶闸管的阳极接电源。列驱动模块包括达林顿管和限流电阻，其中达林顿管为放大模件，可以进行功率放大，也可以通过它控制电路通断。所有达林顿管的发射极接地。

点火电路包括一百个电阻、一百个二极管、十根行线以及十根列线；具体布局是，每一个电阻一端与一个二极管正极相连，发热电阻的另一端连接在行线上，二极管的负极连接在列线上；行线和列线分别分布在不同的集成电路板中，互不影响。为区别之前的独立式点火电路，这里将此种点火电路称为阵列式点火电路。在制造上，该点火电路采用微机电加工技术，在推力器阵列顶层沉结二极管和电阻，进而构成点火电路阵列。行线R1～R10上各连有10个电阻，各个电阻各自与二极管相连，二极管连接在列线C1～C10上。而R1～R10与C1～C10各自分布在两个电路层上，不互相相连。

整个点火控制系统各个模块之间的连接是：通信模块与控制模块相连；控制模块通过行控制端与行驱动相连，通过列控制端与列驱动相连：对于每一行，行控制端通过限流电阻连接晶闸管的门级；对于每一列，列控制端也通过限流电阻连接达林顿管的基极。晶闸管的阴极连接点火电路的行线，达林顿管的集电极连接点火电路的列线。在本实验中，晶闸管采用BT151，达林顿管采用TIP122。点火电路行线R1～R10连接在晶闸管阴极上，晶闸管阳极连接VCC电源上，晶闸管门级通过在二极管上和限流电阻连接在列控制端Ro1～Ro10；点火电路列线C1～C10连接在达林顿管的集电极，达林顿管的发射极接地，基极通过限流电阻连接在列控制端Col1～Col10。

另外，通信模块采用USB2.0。控制模块采用FPGA作为主控制芯片。USB芯片选择Cypress的CY7C68013A，FPGA芯片选择Altera公司的EP1C20F400C8，FPGA电源需要1.5V和3.3V供电，电源芯片选择TPS54313和TPS543136。本控制电路有200个I0口，控制100×100的阵列，两个50接口Column1和Column2连接驱动电路的列控制端Col1～Col100，两个50接口Row1和Row2连接驱动电路的行控制端Ro1～Ro100。如果阵列扩大，可以进行扩展，FPGA工作晶振可以由USB芯片提供，频率为48MHz，也可由外置24MHz晶振提供。Altera_JTAG为调试程序下载接口，Altera_AS为配置程序下载接口，程序下载到EPCS4中，通电后程序自动下载到FPGA中。

USB固件程序设计采用Cypress公司提供的固件程序开发框架，在此框架下加入系统的功能程序，就可以完成程序开发，主要进行TD_Init和TD_Poll程序以及自定义请求函数的编写。

FPGA程序设计，采用Verilog编写，能够实现对推力器的控制，任意推力器组合的控制，并且可以实现对高电平维持时间的控制，以及高电平维持时间中间维持低电平时间的设定。处于点火间隔时间时，电平拉低，对于电平的控制都需要在FPGA中实现。

图8为USB与FPGA的连接示意图，其中各个状态表示的意义如下：

IFCLK：FX2输出的时钟，可作为通讯的同步时钟；

FLAGB，FLAGC：FX2输出的FIFO状态信息，如满，空等；

SLOE：FIFO输出使能，外部逻辑控制，当SLOE无效时，数据线不输出有效数据；

SLRD：同步读时，FIFO指针在SLRD有效时的每个IFCLK的上升沿递增；

FD[15:0]：数据线；

FIFOADR[1:0]：选择四个FIFO端点的地址线，外部逻辑控制。

工作过程是：卫星姿轨控系统的控制器将所有的所需推力器坐标通过USB进行通信，传输到作为控制模块的FPGA，FPGA对接收到的信号进行判断和控制：如果要点燃的推力器小于设定的数量，一次点燃所有所需的推力器，即将它们所在行列进行高电平输出，控制驱动电路导通，电阻加热发火药。其中高电平的维持时间需要大于点火延迟时间，以使电阻加热至发火药的发火时间，当到达高电平的维持时间，对相关行列进行低电平输出，此时电路断开，电阻停止加热；如果要点燃的推力器大于设定的数量，要进行分组点火，每组之间设定固定的时间间隔，对于每一组的控制与单组控制相同。

本系统进行通信时，USB芯片选择Slave FIFO模式，FPGA实现同步从属FIFO的读操作，当通过USB接收到的16位数据中第16位为1时，剩下的十五位将要点的推力器坐标储存到RAM。FPGA调用IP核，先将通过USB收到的所点推力器坐标存于FPGA的RAM中，当收到的数据第16位为0时，则剩下的十五位储存所点推力器的总个数以及单次的个数，并进行控制信号输出，控制IO电平。FPGA运用有限状态机进行状态转移，首先进行初始化，将各个寄存器进行初始化。然后转入点火状态，判断点单次火推力器的个数，以及点火推力器的总个数，达到单次所点推力器个数后，转入电平维持状态，保持一定的状态，达到维持时间后转入点火间隔时间状态，保持低电平一定时间后，判断是否达到所点推力器的总个数，如果没达到，则进入点火状态。最后复位，相关寄存器置为初始态。状态转移图如图10所示。

状态机时序如下：

IDLE：对相关的寄存器进行初始化，然后转入FIRE状态，开始读RAM操作。

FIRE：指向输出FIFO(对应端点2)，判断点单次火推力器的个数，以及点火推力器的总个数，达到单次所点推力器个数后，转入HOLD_ON。

HOLD_ON：进入电平维持状态，保持一定的时间，达到一定时间后进入HOLD_OFFHOLD_OFF：保持低电平一定时间后，达到一定时候后，判断是否达到所点推力器的总个数，如果没达到，则进入FIRE状态，如果达到进入END状态。

END：把相关寄存器置为初始态。

下面分别计算工作过程中提到的点火延迟时间和点火间隔时间。

1、点火延迟时间确定。

高电平维持时间需要根据点火延迟时间来确定，为FPGA电平控制提供依据。点火延迟时间包括数据传输、算法求解和电阻加热点火药的时间，前两方面时间均远小于电阻加热时间，因此在分析计算点火延迟时间时，不考虑前两方面引起的点火延迟。该时间先通过数值仿真计算出时间作为参考，最后通过实验进一步确定。

为确定点火延迟时间，建立单个电阻仿真模型网格划分图，如图11所示。

电阻加热过程，一是通电后电流流过电阻材料发热；二是热量通过热传导方式流动。为了考察玻璃釉表面温度是否达到点火温度，运用有限元方法进行三维非稳态传热计算，查看达到发火药达到点火温度所需时间，为点火延迟时间的设定提供一定的参考。因为点火时间较短，并且电阻TCR 即温度系数值为±100ppm/℃左右，因此忽略点火时电阻阻值的变化。

电阻的电功率可用下式表示：

P＝I²R                                                       (1)

其中，I是通过电阻的电流，R是阻值。

将电阻作为恒热源，生热速率可表示为：

q＝P/V                                                       (2)

其中，V为电阻的体积。

计算控制方程为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{xx}}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{yy}}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{zz}}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+\stackrel{\·\·\·}{q}=\mathrm{\ρc}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂T}{\∂t}+V_x\frac{\∂T}{\∂x}+V_y\frac{\∂T}{\∂y}+V_z\frac{\∂T}{\∂z}---\left(4\right)$

[C]{T}+[K]{T}＝{Q}                                           (5)

式中，p为物体的密度，K为传导矩阵；C为比热矩阵；{T}为节点温度向量；{T}为温度对时间的导数；λ为导热系数；V为传热速率。

假设在玻璃铀表面温度达到发火药发火温度时即发火，设发火温度为240°。实验中所用的电阻参数分别是导热系数：20.9w/m·K，热膨胀系数：1.22*10^-5m/K，比热：420J/(mol·K)，密度：8.88*10³kg/m³。由仿真结果可知，当点火功率为2w时，7ms以后可达到240°。且玻璃釉影响较小，可以忽略。

为了进一步确定点火所需时间，可以运用实验台进行点火延迟时间测试，忽略数据传输时间，用点火电压作为外部触发，在点火同时，同时触发采集系统，进行数据采集。由测量结果可知，延迟时间为7.6ms，与数值计算时间7ms基本吻合，在控制系统中，以实验测的时间为准，即当点火功率为2w时，需要设置点火时间为7.6ms以上。

2、点火间隔时间确定

如果需要点火推力器数量过多将使点火功率过大，需要分组点火，即在点完一组时，在极短时间内电路断开，即低电平维持时间，再进行下一组点火，其中的断开时间需要进行实验测量。

由于电路特点行控制端采用晶闸管，列采用达林顿管，因为晶闸管一旦导通将一直保持通路，除非回路出现断路或加反向电压；而达林顿管和控制端点平有关，当出现低电平时，回路断开，利用该特点，将列控制端的控制信号周期设定较长，设为10ms；行控制端周期设定较短，调节行控制端的控制信号周期，来确定使回路断开的最短时间。经过实验，行控制端信号周期为100us时，即断开时间为50us，回路能够断开。

将行控制端控制信号周期继续缩短，当为小于50us时，回路将不能断开，因此，当进行单次多组点火时，中间最小间隔时间设为50us，该时间对于点火延迟来说可以忽略。

Claims (9)

1.大规模固体微推力器阵列点火系统包括通信模块、控制模块和点火电路；

其特征在于，该点火系统还包括行控制端、列控制端、行驱动模块、列驱动模块；

各个模块之间的连接关系是：通信模块与控制模块相连；控制模块通过行控制端与行驱动相连，通过列控制端与列驱动相连：对于每一行，行控制端通过限流电阻连接行驱动；对于每一列，列控制端也通过限流电阻连接列驱动；行驱动与点火电路的行线相连，列驱动与点火电路的列线相连；

工作过程是：卫星姿轨控系统的控制器将所有的所需推力器坐标通过通信模块进行通信，传输到控制模块，控制模块对接收到的信号进行判断和控制：如果要点燃的推力器小于设定的数量，一次点燃所有所需的推力器，即将它们所在行列进行高电平输出，控制驱动电路导通，电阻加热发火药；其中高电平的维持时间需要大于点火延迟时间，以使电阻加热至发火药的发火时间，当到达高电平的维持时间，对相关行列进行低电平输出，此时电路断开，电阻停止加热；如果要点燃的推力器大于设定的数量，要进行分组点火，每组之间设定固定的点火时间间隔，对于每一组的控制与前相同。

2.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其行驱动模块包括两个或两个以上可控开关元件和两个或两个以上限流电阻。

3.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其列驱动模块包括两个或两个以上放大模块和两个或两个以上限流电阻。

4.如权利要求3所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其中的放大模块有两个作用，一个是功率放大，另一个是控制电路通断即可控开关的作用。

5.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其点火电路包括两个或两个以上电阻、两个或两个以上二极管、两根或两根以上行线以及两根或两根以上列线；具体布局是，每一个发热电阻一端与一个二极管正极相连，发热电阻的另一端连接在行线上，二极管的负极连接在列线上；行线和列线分别分布在不同的集成电路板中。

6.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，关于它的高电平的维持时间，其特征在于，需要根据点火延迟时间来确定；点火时间包括数据传输、算法求解和电阻加热点火药的时间，前两方面时间均选小于电阻加热时间，因此在分析计算点火延迟时间时，不考虑前两方面引点的点火延迟。

7.对于权利要求5所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，关于它的电阻加热点火药的时间，其特征在于，运用有限元软件ANSYS进行三维非稳态传热数值计算，查看达到发火药达到点火温度所需时间，为点火延迟时间的设定提供参考；因为点火时间较短，并且电阻TCR即温度系数值为±100ppm/℃左右，因此忽略点火时电阻阻值的变化，同时忽略玻璃釉对加热时间的影响；进而得到电阻的电功率P由下式表示为：

P＝I²R                                                  (1)

其中，I是通过电阻的电流，R是阻值。

将电阻作为恒热源，生热速率q可表示为：

q＝P/V′                                                (2)

其中，V′为电阻的体积。

8.如权利要求5所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其特征在于，它的电阻加热点火药的时间，也可以运用实验台进行测试，忽略数据传输时间，用点火电压作为外部触发，在点火同时，同时触发采集系统，进行数据采集，得到电阻加热点火药的时间。

9.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其特征在于，当它的点火时间间隔小于50us时，回路将不能断开，因此，当进行单次多组点火时，中间最小间隔时间设为50us。

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